ANALIZA KONWENCJONALNYCH NOŚNIKÓW ENERGIIZ BIOMASĄ DO CELÓW GRZEWCZYCH.CZ. 2. STUDIUM PRZYPADKU

(1)

I

N Ż Y N I E R I A

R

O L N I C Z A

A

G R I C U L T U R A L

E

N G I N E E R I N G

2013: Z. 2(143) T.1

S

. 289-301

ISSN 1429-7264

Polskie Towarzystwo Inżynierii Rolniczej

http://www.ptir.org

ANALIZA KONWENCJONALNYCH NOŚNIKÓW ENERGII Z BIOMASĄ DO CELÓW GRZEWCZYCH.

CZ. 2. STUDIUM PRZYPADKU

Grzegorz Redlarski, Janusz Piechocki

Katedra Elektrotechniki Energetyki Elektrotechniki i Automatyki Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Adam Kupczyk

Katedra Organizacji i Inżynierii Produkcji, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Dominik Ambroziak

Katedra Mechatroniki i Inżynierii Wysokich Napięć, Politechnika Gdańska

Streszczenie. Materiał stanowi kontynuację problemu opisanego w (Ambroziak i in., 2013).

W artykule przedstawiono wyniki analizy ekonomicznej oraz ekologicznej biomasy (pellety), w porównaniu z innymi, powszechnie stosowanymi nośnikami energii (węgiel kamienny, gaz ziemny, olej opałowy oraz energia elektryczna, wytwarzana w krajowym systemie elektro- energetycznym – KSE). Powyższą analizę wykonano na przykładzie budynku mieszkalnego, stanowiącego domek jednorodzinny, zlokalizowany w różnych strefach klimatycznych na te- rytorium Polski (strefa I – Gdańsk, strefa II – Piła, strefa III Toruń, strefa IV – Białystok, strefa V – Suwałki). W oparciu o ww. badania przedstawiono szereg wniosków ukazujących zalety biomasy jako odnawialnego źródła energii (OZE) na tle innych, konwencjonalnych źródeł energii.

Słowa kluczowe: biomasa, efekty ekonomiczne, efekty ekologiczne, ogrzewanie domu

Opracowanie wyników badań

Przedstawione w artykule wyniki badań zostały uzyskane na podstawie metodyki opi- sanej w (Ambroziak i in., 2013) dzięki wykorzystaniu jednego z szeregu dostępnych pa- kietów specjalistycznego oprogramowania oferowanego przez firmę INTERsoft. W celu ułatwienia interpretacji wyników, każdy z analizowanych nośników energii opisano od- dzielnie. Dodatkowo w końcowej części materiału podano zestawienie najbardziej istot- nych wyników w odniesieniu do wszystkich analizowanych źródeł energii.

Pierwszy z rozpatrywanych wariantów dotyczył rozwiązania bazowego – stosunkowo

popularnego (szczególnie w przypadku realizacji nowych rozwiązań technicznych) i łatwo

(2)

dostępnego nośnika energii, jaki stanowi, m.in. na terytorium Polski, biomasa (pellety).

W tabeli 1 przedstawiono założenia niezbędne do realizacji opisywanych analiz, natomiast wyniki obliczeń podano w tabeli 2.

Tabela 1

Założenia dotyczące zastosowania biomasy jako źródła energii Table 1

Assumptions concerning the use of biomass as the energy source Założenia

Rodzaj paliwa Biomasa

Rodzaj systemu System ogrzewania i wentylacji System przygotowania ciepłej wody Rodzaj źródła ciepła Kotły na biomasę (pellety) wrzutowe

z obsługą ręczną o mocy do 100 kW

Kotły niskotemperaturowe o mocy do 50 kW Rodzaj instalacji

grzewczej /

Typ instalacji ciepłej wody

Ogrzewanie wody

z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku regulacji centralnej

Centralne przygotowanie ciepłej wody użytkowej, instalacja z cyrkulacją z ograniczonym czasem pracy

i pełną izolacją przewodów Rodzaj instalacji

ogrzewczej / ciepłej wody

Centralne ogrzewanie wodne z źródłem w budynku, z zaizolowanymi przewodami,

armaturą i urządzeniami w pomieszczeniach ogrzewanych

Instalacje małe, do 30 punktów poboru

ciepłej wody

Akumulacja ciepła Brak zasobnika buforowego

Zasobnik w systemie wg standardu budynku niskoenergetycznego

Sprawność systemu 0,49 0,58

Tabela 2

Wyniki analizy zastosowania biomasy jako źródła energii Table 2

The analysis results on the use of biomass as the energy source Wyniki

Strefa klimatyczna I II III IV V

Roczne zapotrzebowanie

na energię końcową (kWh ·rok

^-1

) 41994,8 45051,9 46668,2 52895,1 56888,3 Roczne koszta eksploatacyjne

(PLN ·rok

^-1

) 7931,2 8450,8 8725,5 9783,8 10462,7

Roczna emisja CO

2

(kg ·rok

^-1

) 1216,4 1216,4 1216,4 1216,4 1216,4

Drugi z poddanych analizie przypadków dotyczył wykorzystania energii elektrycznej,

wytworzonej w systemie elektroenergetycznym jako jedynego źródła energii w rozpatry-

wanym budynku mieszkalnym. Przyjęcie do analizy takiego wariantu wynika z konieczno-

ści, chociażby tylko częściowego, wykorzystywania tego nośnika energii niemal przez

(3)

wszystkie gospodarstwa domowe, jak również z istnienia szeregu budynków, w przypadku których jest to jedyne źródło energii. Założenia niezbędne do analizy tego przypadku podano w tabeli 3, a uzyskane wyniki obliczeń w tabeli 4.

Tabela 3

Założenia dotyczące wykorzystania energii elektrycznej wytworzonej w systemie elektro- energetycznym, jako źródła energii w rozpatrywanym budynku

Table 3

Assumptions concerning the use of electric energy produced in the electrical energy system as the energy source in the considered building

Założenia

Rodzaj paliwa Energia elektryczna

Rodzaj systemu System ogrzewania i wentylacji System przygotowania ciepłej wody

Rodzaj źródła ciepła

Elektryczne grzejniki bezpośrednie: konwektorowe, płaszczyznowe, promieniowe

i podłogowe kablowe

Elektryczny podgrzewacz akumulacyjny (z zasobnikiem bez strat) Rodzaj instalacji grzewczej /

Typ instalacji ciepłej wody

Elektryczne grzejniki bezpośrednie: konwektorowe, płaszczyznowe i promieniowe

Miejscowe przygotowanie ciepłej wody użytkowej, instala-

cja bez obiegu cyrkulacyjnego Rodzaj instalacji ogrzewczej /

ciepłej wody

Źródło ciepła w pomieszczeniu (ogrzewanie elektryczne,

piec kaflowy)

Miejscowe przygotowanie ciepłej wody bezpośrednio przy punktach poboru wody Akumulacja ciepła Brak zasobnika buforowego Brak zasobnika

Sprawność systemu 0,97 0,98

Tabela 4

Wyniki analizy uwzględniającej wykorzystanie energii elektrycznej wytworzonej w systemie elektroenergetycznym, jako jedynego źródła energii w rozpatrywanym budynku

Table 4

The analysis results including the use of electric energy produced in the electrical energy system as the energy source in the considered building

Wyniki

Strefa klimatyczna I II III IV V

Roczne zapotrzebowanie

na energię końcową (kWh·rok

^-1

) 21518,6 23059,1 23873,6 27010,8 29023,4 Roczne koszty eksploatacyjne

(PLN·rok

^-1

) 16596,6 17721,2 18315,7 20605,9 22075,1

Roczna emisja CO

2

(kg·rok

^-1

) 22735,1 24275,6 25090 28227,2 30239,9

Trzeci z rozpatrywanych przypadków dotyczył analizy węgla kamiennego jako jednego

ze źródeł energii najpowszechniej występujących w jednorodzinnym budownictwie miesz-

kaniowym. Warto podkreślić, że prawie 54% (PSE S. A., 2011) energii pozyskiwanej

w KSE jest generowane przez elektrownie opalane węglem kamiennym, a Polska jest

(4)

światowym potentatem pod względem jego wydobycia (Dmochowska, 2012). W tabeli 5 zostały przedstawione założenia analiz w oparciu o metodologię wyjaśnioną w (Ambroziak i in., 2013), natomiast wyniki obliczeń podano w tabeli 6.

Tabela 5

Założenia w przypadku zastosowania węgla brunatnego jako nośnika energii Table 5

Assumptions in case of the use of hard coal as the energy carrier Założenia

Rodzaj paliwa Węgiel kamienny

Rodzaj systemu System ogrzewania i wentylacji System przygotowania ciepłej wody Rodzaj źródła ciepła Kotły węglowe wyprodukowane

po 2000 r. Kotły niskotemperaturowe o mocy do 50 kW Rodzaj instalacji grzewczej /

Typ instalacji ciepłej wody

Ogrzewanie wodne z grzejnikami członowymi lub płytowymi w przypadku regulacji miejscowej

Miejscowe przygotowanie ciepłej wody użytkowej, insta- lacja bez obiegu cyrkulacyjnego Rodzaj instalacji ogrzewczej /

ciepłej wody

Źródło ciepła w pomieszczeniu (ogrzewanie elektryczne,

piec kaflowy)

Miejscowe przygotowanie ciepłej wody bezpośrednio przy punktach poboru wody Akumulacja ciepła Brak zasobnika buforowego Brak zasobnika

Sprawność systemu 0,72 0,86

Tabela 6

Wyniki analizy węgla kamiennego, jako źródła energii Table 6

The analysis results of hard coal as the energy source Wyniki obliczeń

Strefa klimatyczna I II III IV V

Roczne zapotrzebowanie

na energię końcową (kWh·rok

^-1

) 28428,3 27673,1 28656,4 32444 34873,9 Roczne koszty eksploatacyjne (PLN·rok

^-1

) 2953,6 2875,1 2977,3 3370,8 3623,3 Roczna emisja CO

₂

(kg·rok

^-1

) 8600,3 8404,2 8659,6 9643,4 10274,5

Czwarty z poddanych analizie wariantów dotyczył zastosowania źródła energii w posta-

ci gazu ziemnego. Ten nośnik energii jest obecnie szczególnie popularny w nowo budowa-

nych obiektach mieszkalnych, gdyż uchodzi za tanie oraz charakteryzujące się stosunkowo

niską emisją zanieczyszczeń do atmosfery źródło energii. Założenia niezbędne do analizy

tego wariantu przedstawiono w tabeli 7, natomiast wyniki uzyskanych obliczeń, w tabeli 8.

(5)

Tabela 7

Założenia dotyczące zastosowania gazu ziemnego jako źródła energii Table 7

Assumptions concerning the use of natural as as the energy source Założenia

Rodzaj paliwa Gaz ziemny

Rodzaj systemu System ogrzewania i wentylacji System przygotowania ciepłej wody Rodzaj źródła ciepła Kotły gazowe kondensacyjne

do 50 kW (70/55

^o

C) Kotły niskotemperaturowe o mocy do 50 kW

Rodzaj instalacji grzewczej / Typ instalacji ciepłej wody

Ogrzewanie wodne z grzejnikami czołowymi lub płytowymi w przypadku regulacji miejscowej

Miejscowe przygotowanie cie- płej wody użytkowej, instalacja bez obiegu

cyrkulacyjnego Rodzaj instalacji ogrzewczej

/ ciepłej wody

Ogrzewanie mieszkaniowe (kocioł gazowy lub miniwęzeł)

Miejscowe przygotowanie wody bezpośrednio przy punktach

poboru wody Akumulacja ciepła Brak zasobnika buforowego Brak zasobnika

Sprawność systemu 0,83 0,86

Tabela 8

Wyniki analizy zastosowania gazu ziemnego jako źródła energii w budynku Table 8

The analysis results of the use of natural gas as the energy source in a building Wyniki

Strefa klimatyczna I II III IV V

Roczne zapotrzebowanie na energię

końcową (kWh·rok

^-1

) 25156,7 29379,8 30430,6 34478 37074,7 Roczne koszty eksploatacyjne

(PLN·rok

^-1

) 8306,2 8844,4 9129 10225,1 10928,3

Roczna emisja CO

2

(kg·rok

^-1

) 6172,1 7004 7211 8008,3 8519,8

Piąty z rozpatrywanych wariantów dotyczył wykorzystania oleju opałowego jako źró-

dła energii w rozpatrywanym budynku mieszkalnym. Stąd też w tabeli 9 przedstawiono

założenia, jakie zostały przyjęte do obliczeń, natomiast w tabeli 10 podano uzyskane wyniki.

(6)

Tabela 9

Założenia dotyczące zastosowania oleju opałowego jako źródła energii Table 9

Assumptions concerning the use of heating oil as as the energy source Założenia

Rodzaj paliwa Olej opałowy

Rodzaj systemu System ogrzewania i wentylacji System przygotowania ciepłej wody

Rodzaj źródła ciepła

Kotły niskotemperaturowe gazowe lub olejowe z zamkniętą komorą spalania i palnikiem modulowanym

do 50 kW

Kotły niskotemperaturowe o mocy do 50 kW

Rodzaj instalacji grzewczej / Typ instalacji ciepłej wody

Ogrzewanie wodne z grzejnikami czołowymi lub płytowymi w przy-

padku regulacji centralnej

Miejscowe przygotowanie ciepłej wody użytkowej, instalacja bez obiegu cyrkula-

cyjnego Rodzaj instalacji ogrzewczej

/ ciepłej wody

Ogrzewanie mieszkaniowe (kocioł gazowy lub miniwęzeł)

Miejscowe przygotowanie poboru ciepłej wody bezpo- średnio przy punktach poboru

wody Akumulacja ciepła Brak zasobnika buforowego Brak zasobnika

Sprawność systemu 0,71 0,86

Tabela 10

Wyniki analizy oleju opałowego jako źródła energii w budynku Table 10

The analysis results of natural gas as the energy source in a building Wyniki obliczeń

Strefa klimatyczna I II III IV V

Roczne zapotrzebowanie na energię -

końcową (kWh·rok

^-1

) 26412,7 30873 31982,8 36257,6 39000,2 Roczne koszty eksploatacyjne

(PLN·rok

^-1

) 6026,2 6401 6599,2 7362,6 7852,3

Roczna emisja CO

₂

(kg·rok

^-1

) 5539,9 6270 6451,7 7151,5 7600,4

Analizując wyżej przedstawione wyliczenia, możliwe jest porównanie wyników doty-

czących zastosowania bazowego źródła energii, w przypadku którego nośnikiem energii

jest biomasa, z pozostałymi nośnikami energii. Pierwszym niezbędnym krokiem w tym

zakresie jest zestawienie zapotrzebowania na energię końcową każdego ze źródeł energii,

w każdej z rozpatrywanych stref klimatycznych. Wskaźnik zapotrzebowania na energię

końcową w każdym z rozpatrywanych wariantów (rys. 1) stanowi bowiem – jak wynika z

opisanej metodyki – podstawę dalszych analiz, mających na celu określenie rocznych

kosztów eksploatacyjnych w przypadku zastosowania określonego źródła energii (rys. 2)

oraz rocznej emisji dwutlenku węgla, która jest związana z energetycznym spalaniem roz-

patrywanych nośników energii (rys. 3).

(7)

Rysunek 1. Zapotrzebowanie budynku na energię końcową w zależności od nośnika energii oraz przynależności do określonej strefy klimatycznej

Figure 1. Demand of a building for the final energy in relation to the energy carrier and being a part of the particular climatic zone

Rysunek 2. Zestawienie całkowitych kosztów eksploatacyjnych w zależności od nośnika energii oraz od przynależności do określonej strefy klimatycznej

Figure 2. The list of total exploitation costs in relation to the energy carrier and being

a part of the particular climatic zone

(8)

Rysunek 3. Wartości emisji dwutlenku węgla do atmosfery w zależności od rodzaju nośnika energii oraz przynależności do określonej strefy klimatycznej

Figure 3. The values of carbon dioxide emission to atmosphere in relation to the energy carrier and being a part of the particular climatic zone

Podsumowanie i najistotniejsze wnioski

Podsumowując wyniki przeprowadzonych analiz i odnosząc je do badanego nośnika energii, jaki stanowi biomasa, należy stwierdzić, że:

– stosowanie jakiegokolwiek innego nośnika energii, aniżeli biomasy, jest zdecydowanie bardziej niekorzystne pod względem ekologicznym. Świadczą o tym, wyznaczone dla poszczególnych wariantów, wartości emisji CO

2

do atmosfery (rys. 3). Fakt ten stwarza potencjalne możliwości znacznego ograniczenia emisji tego związku w wyniku moder- nizacji – innych, aniżeli na biomasę – źródeł energii. Ponadto zmniejszenie emisji dwu- tlenku węgla jest w pełni zgodne z aktualną polityką Wspólnoty Europejskiej;

– uzyskanie ww. korzyści jest możliwe pomimo znacznych różnic sprawności stosowa-

nych urządzeń technicznych w systemach: grzewczo-wentylacyjnych oraz przygoto-

wywania ciepłej wody użytkowej. Przykładowo pozyskując energię elektryczną z sys-

temu elektroenergetycznego, można mówić o wysokiej sprawności w zakresie

ogrzewania i wentylacji oraz instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej (odpo-

wiednio na poziomie 97% i 98%), natomiast w przypadku rozwiązań bazujących na

biomasie sprawność odnośnych systemów jest znacznie niższa (odpowiednio na pozio-

mie: 49% oraz 58%). Podczas badań założono sprawność energii elektrycznej, widzianą

od strony przyłącza budynku referencyjnego do systemu elektroenergetycznego; w isto-

cie sprawność ta jest o wiele niższa, gdyż także należy uwzględnić straty związane z

przesyłem energii elektrycznej oraz sprawność elektrowni (średnia sprawność polskich

elektrowni jest rzędu 34% (Jurdziak i Kawalec, 2010);

(9)

– koszty eksploatacyjne w przypadku zastosowania nośnika energii w postaci biomasy (rys. 2), są zbliżone do wariantów dotyczących wykorzystania węgla kamiennego, gazu ziemnego oraz oleju opałowego. Z kolei najmniej korzystny wariant stanowi przypa- dek, w którym potrzeby energetyczne budynku zaspokajane są poprzez energię elek- tryczną, pozyskiwaną z systemu elektroenergetycznego. Na tej podstawie oraz po uwzględnieniu wartości dotyczących emisji CO

2

do atmosfery (rys. 3) można jedno- znacznie stwierdzić, iż biomasa, pomimo niskiej sprawności rozpatrywanych rozwiązań systemowych (na poziomie 49% i 58%), stanowi najbardziej korzystne rozwiązanie.

Jednocześnie należy uznać, że energia elektryczna, pozyskiwana z systemu elektroener- getycznego, stanowi najmniej korzystne rozwiązanie zarówno pod względem ekono- micznym, jak i ekologicznym.

Kontynuując podsumowanie, warto zauważyć, iż zużycie energii elektrycznej przez polskie gospodarstwa domowe sięga prawie 20% (GUS, 2012b) zużycia krajowego. Stąd też gdyby doprowadzić do ich zastąpienia przez rozwiązania bazujące na biomasie, wów- czas stopień zanieczyszczeń emitowanych do atmosfery zostałby znacząco zredukowany, a koszty eksploatacyjne utrzymałyby się na przybliżonym poziomie. Ponadto proponowane rozwiązanie bardzo pozytywnie zostałoby przyjęte w świetle obowiązujących przepisów, gdyż zarówno Pakiet Klimatyczno-Energetyczny, jak i protokół z Kioto, w obawie przed dalszymi, groźnymi i nieodwracalnymi zmianami klimatycznymi (globalne ocieplenie (Ro- sa, 2012; Blok i in., 2012)) nakładają obowiązek zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych (w tym także dwutlenku węgla) do atmosfery. Na zakończenie warto dodać, iż uzyskane wyniki odnoszą się jedynie do wąskiego sektora gospodarki, jaki stanowi budownictwo mieszkaniowe. Z tego względu celowym i uzasadnionym byłoby rozszerzenie odnośnych analiz na grupę obiektów przemysłowych oraz rolnych (dla których konsumpcja energii elektrycznej na terytorium Polski przekracza 30%) i zbadanie, jak dalece korzystnym roz- wiązaniem w tym przypadku jest wykorzystanie alternatywnego źródła energii, w przypad- ku którego jako nośnik energii wykorzystuje się biomasę.

Literatura

Ambroziak, D.; Kupczyk, A.; Piechocki, J.; Redlarski, G. (2013). Analiza konwencjonalnych nośni- ków energii z biomasą do celów grzewczych cz. 1. Charakterystyka problemu oraz metodyk ba- dań. Inżynieria Rolnicza,

Blok, K.; Höhne, N.; van der Leun, K.; Harrisom, N. (2012). Bridging the greenhouse-gas emissions gap. Nature Climate Change, 2, 471 - 474.

Dmochowska, H. (red.). (2012). Rocznik statystyki międzynarodowej 2012. Warszawa, ZWS, ISSN 0079-273X.

Jurdziak, L.; Kawalec, W. (2010). Wpływ wzrostu sprawności elektrowni oraz polityki CCS na wiel- kość zasobów bilansowych węgla kamiennego w warunkach bilateralnego monopolu kopalni i elektrowni. Polityka Energetyczna, tom 13, zeszyt 2, 181 - 197.

PSE S. A. (2011). Raport 2011 KSE. Pozyskano z: http://www.pse-operator.pl/index.php?

dzid=171& did=1053#t1_1.

Uberman, R.; Kaczorowski, J.; Żuk, S. (2007). Górnictwo węgla brunatnego w Polsce – stan aktual-

ny. Możliwości i ograniczenia rozwoju. Pozyskano z: http://www.ppwb.org.pl/wb/61/5.php.

(10)

THE ANALYSIS OF CONVENTIONAL ENERGY CARRIERS WITH BIO- MASS FOR HEATING PURPOSES

PART 2. CASE STUDY

Abstract. The material constitutes continuance of the issue presented in (Ambroziak et al. 2013). The article presents the results of the economic and ecology analysis of biomass (pellets) compared to others, commonly applied energy carriers (hard coal, natural gas, heating oil and electric energy produced in the national electrical and energy system - KSE). The above analysis was carried out on the example of the residential building, constituting a one-family house located in various climatic zones on the territory of Poland (zone I - Gdańsk, zone II - Piła, zone III Toruń, zone IV - Białystok, zone V - Suwałki). Based on the above mentioned research a number of conclusions presenting ad- vantages of biomass as a renewable energy source (RES) compared to other conventional energy sources were presented.

Key words: biomass, economic effects, ecological effects, heating a house

Adres do korespondencji:

Dominik Ambroziak; e-mail: dambroziak@eia.pg.gda.pl Katedra Mechatroniki i Inżynierii Wysokich Napięć Politechnika Gdańska

ul. Narutowicza 11/12

80-233 Gdańsk